Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
температуры
1. Как наглядно объяснить зависимость знака дифференциального О эффекта
Джоуля - Томсона от давления газа?
2. Каким физическим условиям в газе соответствует точка инверсии
дифференциального эффекта Джоуля - Томсона?
3. Докажите с помощью качественных рассуждений, что существуют области
давлений для данного газа, при которых интегральный эффект Джоуля -
Томсона может быть только либо положительным, либо отрицательным, и
существует область давлений, при которых эффект может быть как
положительным, так и отрицательным в зависимости от конечного давления.
§ 33. Эффект Джоуля - Томсона 259
затвердевания и кипения указанных газов, путем сжижения газов можно
получить следующие интервалы температур:
63,14 - 77,32 К (азот);
54,36 - 90,12 К (кислород);
14,04 - 20,39 К (водород);
0,7 - 4,21 К (гелий).
В первых трех случаях внешнее давление атмосферное. У жидкого 1елия 0,7 К
является наинизшей температурой, которая может быть достигнута при
откачке паров жидкого гелия 4Не. При этом давление равно 0,293 Па.
Дальнейшее понижение температуры путем понижения давления оказывается
невозможным ввиду легкой испаримости гелия, в результате которой насосы
не успевают откачивать пары и понижать давление.
Для получения более низкой температуры используется метод магнитного
охлаждения. Суть метода состоит в следующем. Имеются вещества, молекулы
которых обладают постоянным магнитным моментом. Такие вещества называются
парамагнетиками. Намагничение парамагнетиков состоит в том, что магнитные
моменты молекул переориентируются преимущественно по направлению
магнитного поля, что соответствует уменьшению потенциальной энергии
магнитных моментов молекул во внешнем магнитном поле. Ясно, что при
упорядочении, т. е. намагничении, похенциальная энергия взаимодействия с
магнитным полем убывает и энтропия системы уменьшается (поскольку речь
идет об упорядочении).
Представим себе, что некоторый парамагнетик в результате контакта с
жидким гелием охладился до его температуры (например, до 0,7 К). После
этого поместим парамагнетик в медленно растущее магнитное поле и
адиабатически намагнитим его. При адиабатическом медленном процессе,
являющемся обратимым, энтропия системы остается без изменения. С другой
стороны, энтропия, связанная с ориентировкой молекул в магнитном поле,
уменьшается и потому увеличивается энтропия, связанная с тепловым
движением, т. е. парамагнетик нагревается. Теперь приведем его в
намагниченном состоянии в контакт с жидким гелием. Его температура должна
понизиться до 0,7 К. После этого разорвем его контакт с жидким гелием и
затем медленно уменьшим внешнее магнитное поле до нуля. Парамагнетик
размагничивается, энтропия, связанная с ориентировкой магнитных моментов,
растет, а энтропия, связанная с тепловым движением молекул, уменьшается,
т. е. парамагнетик охлаждается ниже исходной температуры 0,7 К.
ф При приближении к термодинамическому нулю внутренняя энергия всех
частей системы стремится к своему минимальному значению, энтропия - к
определенному пределу и все процессы при термодинамическом нуле,
переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, должны
происходить без изменения энтропии.
Температура 0 К не может быть достигнута посредством конечного числа
операций.
17*
260 4. Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости
Практически, конечно, нет необходимости адиабатически проводить
нагревание парамагнетика. Оно описанб лишь для полноты физической
картины. Достаточно намагнитить парамагнетик в контакте с жидким гелием,
затем прервать контакт и размагнитить адиабатически достаточно медленно,
чтобы процесс совершался обратимо.
В качестве парамагнетиков для охлаждения используются различные
парамагнитные соли. В частности, широко применяются для этих целей
железоаммониевые квасцы.
Методом магнитного охлаждения в настоящее время получена рекордно низкая
температура порядка 10 _3 К. Охлажденную соль можно использовать для
охлаждения других веществ, приведенных в контакт с ней.
При низкой температуре проявляются многие необычные свойства вещества.
Наиболее интересными свойствами, которые подробно рассмотрены в § 47,
обладает Hell.
Свойства вещества вблизи 0 К. Поскольку теплоемкость Су является
положительной, внутренняя энергия U является монотонной функцией
температуры. С уменьшением температуры внутренняя энергия уменьшается и,
следовательно, при абсолютном нуле достигает своего минимально возможного
значения. Это рассуждение можно отнести как к системе в целом, так и к ее
частям. Поэтому при 0 К достигает своих минимальных значений внутренняя
энергия всех частей системы, т. е. любая часть системы находится в своем
основном состоянии с минимальной энергией.
Из соотношения 5Q- TdS следует, что при охлаждении тела его энтропия
уменьшается. Спрашивается: стремится ли энтропия при своем уменьшении к
какому-либо определенному значению? Положительный ответ на этот вопрос
